聚合物仿生材料的合成及刺激響應(yīng)性體系的設(shè)計(jì).pdf

1、本論文在Morpho蝴蝶翅膀的光子晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，制備了對溫度響應(yīng)的刺激響應(yīng)性體系，探索了其合成、結(jié)構(gòu)及響應(yīng)性反應(yīng)的相關(guān)機(jī)理，并進(jìn)一步開發(fā)出適用于多種聚合物/蝴蝶翅膀體系的制備方法。自光子晶體概念被提出以來，一系列的結(jié)構(gòu)的光子晶體被制備出來并在控制光路傳輸、傳感和通訊裝置的設(shè)計(jì)方面發(fā)揮了巨大作用，但是在實(shí)現(xiàn)光子晶體結(jié)構(gòu)材料本身的智能化（即賦予該材料自身刺激響應(yīng)特性）方面卻一直是人們的巨大挑戰(zhàn)。近年來，隨之光子晶體結(jié)構(gòu)生物材料的發(fā)現(xiàn)，以M

2、orpho蝴蝶翅膀?yàn)榇?，越來越多的研究者將目?biāo)放在蝴蝶翅膀的功能化方面。經(jīng)歷了長期的自然選擇過程，蝴蝶翅膀本身的精細(xì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)已經(jīng)超過了人們目前的微加工技術(shù)，因此師法自然對實(shí)現(xiàn)光子晶體結(jié)構(gòu)材料的刺激響應(yīng)性方面具有重要意義。本論文采用表面鍵合和聚合路線成功的蝴蝶翅膀表面均勻生長了對溫度敏感的聚合物材料，并進(jìn)一步研究了該復(fù)合體系對溫度的響應(yīng)性行為。同時(shí)，為了克服在蝴蝶翅膀表面生長聚合物種類的局限性，本論文也提出了均勻制備多種聚合物/蝴蝶翅膀

3、復(fù)合體系的新方法。具體的研究內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　（1）聚（N-異丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸）與蝴蝶翅膀協(xié)同制備溫敏性光子晶體
　　以丙烯酸（AAc）為媒介，在交聯(lián)劑作用下通過自由基引發(fā)聚合將其與 N-異丙基丙烯酰胺（NIPAm）共聚，同時(shí)借助羧基（COOH）與氨基化處理后蝴蝶翅膀含有的氨基（NH2）之間的鍵合作用，將交聯(lián)型的聚（N-異丙基丙烯酰胺-co-丙烯酸）[P(NIPAm-co-AAc)]均勻生長在蝴蝶翅膀表面。利用

4、P(NIPAm-co-AAc)對溫度響應(yīng)的性質(zhì)調(diào)節(jié)蝴蝶翅膀本身的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)翅膀本身光子晶體結(jié)構(gòu)對溫度的感應(yīng)，從而在功能型聚合物和自然的光子晶體中構(gòu)建了一種協(xié)同效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度從25℃升高到40℃，翅膀表面反射光譜由465 nm減少到433 nm。這是由于P(NIPAm-co-AAc)隨著溫度變化發(fā)生的相轉(zhuǎn)變引起其本身體積的變化（隨著溫度升高，聚合物由親水性變?yōu)槭杷裕瑑?nèi)部溶脹水的流失導(dǎo)致其體積減?。?，聚合物體積的變化進(jìn)而改變

5、了翅膀內(nèi)在的光子晶體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致翅膀的反射光譜發(fā)生一系列可逆的變化。
　?。?）蝴蝶翅膀基有機(jī)復(fù)合材料的超臨界流體協(xié)助制備
　　借助超臨界二氧化碳的抗溶劑作用，將聚合物的二甲基甲酰胺溶液在超臨界二氧化碳體系中析出并進(jìn)一步借助高分子與功能化蝴蝶翅膀之間的弱相互作用，將聚合物均勻生長在蝴蝶翅膀表面。測試結(jié)果表明該方法適用于多種（包括沒有特殊基團(tuán)的）聚合物，且在整個(gè)過程中只涉及聚合物的溶解和析出。進(jìn)一步分析具體實(shí)驗(yàn)條件對該體系制備結(jié)

6、果的影響可知：（1）超臨界二氧化碳在實(shí)驗(yàn)中起到?jīng)Q定性作用，依賴于它的抗溶劑作用，才能使聚合物從溶劑中析出，從而方便的制備聚合物復(fù)合材料；（2）蝴蝶翅膀的氨基化過程對本實(shí)驗(yàn)也有影響，需要借助翅膀表面所含的活躍氨基，對所生長聚合物起到引導(dǎo)作用，從而使其可以順利的在翅膀表面析出；（3）聚合物溶液溫度也在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)揮了重要角色，只有當(dāng)聚合物溶液達(dá)到一定的溫度，聚合物分子鏈才能在溶劑中完全散開，進(jìn)而才能自由的進(jìn)行析出沉積過程。達(dá)不到特定溫度的聚